基于nRF2401智能小区无线抄表系统集中器设计

　　随着电子技术、计算机技术和通信技术的不断发展，各个行业的自动化进程正在逐渐加快，以至于在自动抄表中对数据采集的实时性、可靠性、信息量提出了更高的要求。目前的抄表系统主要有：有线抄表系统，掌上抄表系统和无线抄表系统.其中有线抄表系统增加了综合布线的费用和难度，降低了系统的应用灵活性，限制了有线抄表系统的推广和应用。掌上抄表系统需抄表部门用掌上抄表器抄取数据，因此降低了自动化程度。无线抄表系统采用无线收发设备传输数据，不需专门架线，系统结构简单，节省了人力和物力，相对有线抄表系统和掌上抄表系统有着更大的优势。本文提出了一种基于无线网络技术的无线抄表系统，重点研究了基于nRF2401的无线通信的集中器的设计，通过该集中器可以实现采集数据快速、可靠的传递。

无线抄表系统方案

　　智能小区无线抄表系统主要由三表数据采集终端、集中器和物业中心的计算机组成。三表数据采集终端和集中器（下层），集中器和物业中心（上层）的计算机均采用星型结构。智能小区无线抄表系统结构如图1所示。

图1智能小区无线抄表系统结构图

　　上层通过以nRF2401无线通信模块与分散在小区内各栋楼内集中器上的nRF2401无线通信模块相连接，形成1对多的连接形式，实现集中器和小区物业中心的计算机的实时在线连接。下层通信包括集中器通过无线的方式对三表数据的采集、存储、转发,以及转发上位机下达的指令和对三表进行控制操作等。集中器是整个无线抄表系 统的通信桥梁，它的工作情况决定了系统的可靠性和稳定性，其实现功能有：每个月按约定时间循环查询终端三表的数据，并把采集到的数据进行累加保存起来；当 接收到物业中心的计算机发布的采集命令后，立即打包数据并传送；也可主动向物业中心的计算机发送数据、报告紧急情况等。

集中器硬件设计

　　在无线抄表系统中，集中器处于信息传递通路的中间位置，该系统中的集中器采用无线方式传输数据，是整个系统的核心。无线数据集中器主要有无线数据传输模块nRF2401、外部存储单元、本地通信接口、微处理器（MCU）和电源模块等组成。数据集中器硬件结构框图如图2所示，数据集中器电路原理图如图3所示。

图2数据集中器硬件结构框图

图3 数据集中器电路原理图

　　考虑到无线数据集中器的低功耗、经济高效、性能稳定、接口电路简单和自动化程度高等特点，因此选择合适的电路芯片也至关重要。

无线数据传输模块nRF2401

　　nRF2401是 挪威 Nordic公司的单片2.4GHz无线收发一体芯片。它将射频、8051MCU、9通道12位ADC、外围元件、电感和滤波器全部集成到单芯片中，并采 用2.4GHz频带和0.18μm工艺，可提供ShockBurst、 DuoCeiver、片上CRC以及地址计算编码等功能。nRF2401无线收发一体芯片和蓝牙一样,都工作在2.4GHz自由频段。nRF2401支持多点间通信， 最高传输速率超过1Mbit/S,而且比蓝牙具有更高的传输速度。与蓝牙不同的是, nRF2401没有复杂的通信协议，它完全对用户透明,同种产品之间可以自由通信。更重要的是，nRF2401比蓝牙产品更便宜。所以nRF2401是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。

电源模块

　　在集中器电路中电源是能源中心,在集中器中起着非常重要的作用,特别是在无线通信系统中,电源不光是能源的基地,它也直接影响通信的质量。器件 对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限制的。这些引脚由二极管或分离元件接到Vcc。如果接入的电压过高，电流将会通过二极管或分离元件流向电源。例如 3V器件的输入端接上5V信号，则5V电源将会向3V电源充电，持续的电流将会损坏二极管和电路元件。在等待或掉电方式时3V电源降落到0V，大电流将流 到地，这使总线上的高电平电压被下拉到地。这些情况将引起数据丢失和元件损坏。由于本集中器系统所采用的芯片需用+3V或+5V的直流供电,所以在电源部 分首先使用AC-DC模块将220V交流电转化为+5V的直流电,在该系统中，选用专为通信控制芯片提供转换电压的LM1117为转换芯片，它具有功耗 低，体积小等优点。又因为电压中含有许多高频干扰源，这些高频成分很容易经过电源进入通信系统中。另外系统自身的发送频率也会经过电源感应反馈到通信系统 造成干扰.因而可在电源电路中加入220μH的电感，与并入多个不同容值的电容所构成的滤波电路来抑制各种高频信号。使集中器能够得到稳定可靠且低干扰的 电源,保证其可靠运行。该电源的电路原理图如图4所示。

图4 电源电路原理图

集中器电路设计注意事项

射频部分的电路设计是集中器设计的重点与难点,也是集中器设计成功的关